寶馬M240i 7月上市 這些碳纖維技術(shù)你了解多少？

寶馬M240i車(chē)型今年7月初已正式上市，全新M240i在造型上與普通版車(chē)型基本一致，不同的是，新車(chē)在普通版車(chē)型基礎(chǔ)上加入大量碳纖維組件，進(jìn)一步提升了性能和視覺(jué)美感度。

新車(chē)方向盤(pán)采用碳纖維+Alcantara材質(zhì)，前進(jìn)氣格柵采用熏黑處理，在后視鏡、側(cè)裙、后擴(kuò)散器、后尾翼等位置均增加了碳纖維材質(zhì)組件。

動(dòng)力方面，新車(chē)依舊搭載一臺(tái)3.0T直列六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，最大功率250kW(340Ps)，最大扭矩為500Nm，傳動(dòng)方面匹配的是一臺(tái)6速手動(dòng)或8速自動(dòng)變速箱，在擁有流暢外觀(guān)的同時(shí)兼具了不凡的實(shí)力。

寶馬作為車(chē)用碳纖維技術(shù)的全球領(lǐng)跑者，率先開(kāi)啟碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP，下文簡(jiǎn)稱(chēng)為碳纖維材料）在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用模式。在此次M240i車(chē)型推出之前，早在2007年寶馬就確定了持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，并在不久后宣布將碳纖維材料引入汽車(chē)制造材料主流領(lǐng)域。2010年，寶馬宣布與SGL合資建立碳纖維工廠(chǎng)，2013年7月首發(fā)碳纖維寶馬i3純電動(dòng)車(chē)，同年9月推出碳纖維i8混合動(dòng)力超跑，并在2014年底將i3和i8的碳纖維技術(shù)應(yīng)用于寶馬7系，使用碳纖維材質(zhì)底盤(pán)；此后又將寶馬7系輕量化技術(shù)應(yīng)用于新一代寶馬5系和3系……

碳纖維材料究竟為何會(huì)讓寶馬公司如此癡迷，對(duì)于碳纖維材料和技術(shù)你又了解多少？今天我們就一起來(lái)了解下碳纖維材料及創(chuàng)新技術(shù)。
　　碳纖維材料性能優(yōu)異卻面臨諸多挑戰(zhàn)
隨著全球汽車(chē)保有量及產(chǎn)銷(xiāo)量與日俱增，在能源及環(huán)境保護(hù)的迫切要求下，各國(guó)政府對(duì)汽車(chē)油耗及廢氣排放政策日趨收緊，在嚴(yán)峻的形勢(shì)下，汽車(chē)制造商必須通過(guò)使用多種創(chuàng)新技術(shù)來(lái)達(dá)到迫在眉睫的節(jié)能減排降耗的要求。對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)而言，使用清潔燃料、輕量化、提高發(fā)動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，減小風(fēng)阻是節(jié)能減排最有效的幾大途徑。

碳纖維材料作為兼具輕量化、安全性、舒適度和可靠性等優(yōu)異性能的輕量化材料，在汽車(chē)車(chē)體及零部件中逐步得到廣泛應(yīng)用。

碳纖維材料的優(yōu)勢(shì)包括：比強(qiáng)度高，是最佳輕質(zhì)高強(qiáng)車(chē)體材料；軸向強(qiáng)度、模量高，無(wú)蠕變，可制作傳動(dòng)軸；正面碰撞時(shí)成無(wú)數(shù)細(xì)小碎片，能吸收大量的撞擊能（4倍于鋼結(jié)構(gòu)），具有高安全性；兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟性，可加工性強(qiáng)；在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性好壽命長(zhǎng)且維修費(fèi)用低；冷熱膨脹系數(shù)小，極端氣候條件下尺寸穩(wěn)定性高；活性碳纖維超級(jí)電容器可提高能量密度又可降低成本，適用于電動(dòng)車(chē)制動(dòng)；復(fù)合材料容易成型，制得滿(mǎn)足空氣動(dòng)力學(xué)原理及美觀(guān)需求的外形曲面表皮光滑美觀(guān)，制造車(chē)身可以省去高成本、繁瑣的涂裝工藝；可將不同零件一體成型，便于汽車(chē)結(jié)構(gòu)的模塊化、整體化制造。

由上述顯而易見(jiàn)，碳纖維材料卓越的性能已甩出其它材料幾條大街，如同散落在懸崖下的奇珍異寶，遠(yuǎn)遠(yuǎn)能看到，但因太過(guò)險(xiǎn)峻，想要獲取為我所用卻又十分不易。在汽車(chē)制造領(lǐng)域，碳纖維材料也是如此，其目前面臨的挑戰(zhàn)如下：
成本太高。同樣是1公斤材料，鋼材需0.8-1美金，鋁材需2.4-2.6美金，樹(shù)脂需5-15美金，碳纖維則高達(dá)20-30美金，幾乎是鋼材的20倍。
生產(chǎn)循環(huán)周期長(zhǎng)，加工成本高。傳統(tǒng)金屬?zèng)_壓每個(gè)部件加工時(shí)間平均為60s，而碳纖維材料和熱固性樹(shù)脂的固化交聯(lián)時(shí)間達(dá)數(shù)小時(shí)。
設(shè)計(jì)及工藝開(kāi)發(fā)難度大。對(duì)于碳纖維材料而言，鋪層數(shù)量、角度、層間結(jié)合、零部件集成方式都需要充分考慮，同時(shí)，由于應(yīng)力集中，材料連接部位力學(xué)分布、連接位置及強(qiáng)度均需復(fù)雜的設(shè)計(jì)來(lái)確?？紤]周全。
材料回收困難。由于汽車(chē)報(bào)廢零部件基本上需要回收再利用，但熱固性樹(shù)脂碳纖維材料不溶不熔，很難做到回收再使用。
　　碳纖維應(yīng)對(duì)多重挑戰(zhàn)的創(chuàng)新技術(shù)
針對(duì)碳纖維生產(chǎn)成本太高這一問(wèn)題，目前業(yè)內(nèi)分別采用了改性瀝青、木質(zhì)素制備、聚烯烴制備、高強(qiáng)PANCF原絲、節(jié)能加工能源等方面技術(shù)來(lái)降低成本。日本三菱公司采用裂解輪胎冷凝物為原料制備優(yōu)質(zhì)瀝青，規(guī)模化生產(chǎn)廉價(jià)高性能瀝青基碳纖維及納米碳管。美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室從紙漿廢液中提取木質(zhì)素，經(jīng)過(guò)熔紡和碳化合成每公斤低至4-5美金的低成本碳纖維。陶氏化學(xué)將聚乙烯等纖維在無(wú)氧狀態(tài)碳化后，將碳纖維平面排列或編織成片，用樹(shù)脂加固后制成碳纖維材料，成本降低了一半。東麗公司采用高與超高分子量混合聚合體，用溫度致變及力致變凝膠化紡絲方法紡絲，創(chuàng)新工藝可提高紡速百倍以上，制備了高強(qiáng)、高模且低成本的PANCF原絲。美國(guó)ORNL用新型微波等離子源碳化技術(shù)高速制備低成本碳纖維；寶馬利用成本僅3美分/kwh水力發(fā)電能源制碳纖維，成本降低到20%。

為縮短生產(chǎn)循環(huán)周期，當(dāng)前有高壓樹(shù)脂傳遞模塑成型技術(shù)（HP-RTM）、熱塑性基體材料預(yù)浸料技術(shù)及短周期RTM工藝。寶馬與西格里合作開(kāi)發(fā)新型環(huán)氧樹(shù)脂，固化時(shí)間僅為2min和5min，通過(guò)采用壓力高達(dá)2900psi（203kg/cm2），注射速率為200g/s的HP-RTM技術(shù)，樹(shù)脂系統(tǒng)、工藝和模具設(shè)計(jì)正確組合，實(shí)現(xiàn)了“一分鐘循環(huán)周期”。通用汽車(chē)公司與帝人公司聯(lián)合采用短時(shí)間可進(jìn)行交聯(lián)或固化的熱塑性基體材料預(yù)浸料復(fù)合材料加工技術(shù)。戴姆勒公司和東麗工業(yè)采用“短周期RTM”工藝，也大幅縮短了碳纖維材料循環(huán)周期。
在優(yōu)化材料設(shè)計(jì)及工藝開(kāi)發(fā)方面，目前行業(yè)內(nèi)采用了SMC成型加工技術(shù)、快速鋪層技術(shù)、3D打印技術(shù)、碳纖維連接技術(shù)、模塊化制造創(chuàng)新技術(shù)。戴姆勒公司和克萊斯勒公司通過(guò)重疊加料，將碳纖維和玻纖SMC材料技術(shù)相結(jié)合，零件數(shù)量減少，重量減輕的同時(shí)剛度提高22%。在快速鋪層技術(shù)方面，目前有一種三維預(yù)成型創(chuàng)新技術(shù)，這是為層壓復(fù)合材料生產(chǎn)織物層的新方法，采用類(lèi)似尼龍搭扣的形式在Z軸方向以鉤-環(huán)鎖扣將相鄰織物層進(jìn)行連接。與原來(lái)復(fù)雜、耗時(shí)、需勞動(dòng)密集型手工鋪層并且低強(qiáng)度高成本的Z-pins嵌入全厚度縫合三維預(yù)成型技術(shù)不同的是，這種新型鉤-環(huán)搭接的“互鎖型”技術(shù)可進(jìn)行自動(dòng)化操作更方便快捷，巡回周期低至90s，其撕裂強(qiáng)度可提高近1倍，耐壓強(qiáng)度提升20%，剪切強(qiáng)度提高15%、沖擊強(qiáng)度提升近1倍。直接成產(chǎn)成本降到一半，間接成本也低至原來(lái)的三分之一。

美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室用熔融沉積3D打印技術(shù)將碳素纖維顆粒打印為一體式汽車(chē)底盤(pán)。剛度提高了5-7倍且強(qiáng)度是原來(lái)的3倍，提升汽車(chē)零部件性能的同時(shí)大幅減少了加工時(shí)間。在碳纖維連接技術(shù)上，目前有集散板熔融、震動(dòng)熔融、超聲波熔融一體加熱、加壓連接法。通過(guò)一體化加工，增加結(jié)合部位碳纖維體積分?jǐn)?shù)，提高了強(qiáng)度避免了開(kāi)裂。在模塊化制造方面，采用自動(dòng)化加工方法，將多個(gè)金屬部件轉(zhuǎn)變?yōu)槟K化復(fù)合材料部件，車(chē)身零部件數(shù)量降至1/10。既減重又縮短了生產(chǎn)循環(huán)周期。此外，我國(guó)也研發(fā)出碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件成型關(guān)鍵技術(shù)，中科院寧波材料所在復(fù)合材料體系、設(shè)計(jì)技術(shù)、熱壓成型工藝、液態(tài)成型工藝、連接技術(shù)以及關(guān)鍵裝備等方面都取得重要成果。